陳潔新，胡艷青，柴塬，李心怡，孟蘇，呂國義

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京 100095）

0 引言

當前對高溫高壓下的濕度參數校準需求日益增多，例如燃料電池、核動力系統(tǒng)的應用環(huán)境下，經常需要在溫度高于100 ℃的情況下對相對濕度進行監(jiān)測［1］；一些干燥行業(yè)也需要對高溫下的相對濕度進行測量。目前常用的耐高溫的溫濕度計包括：瑞士Rotronic 生產的HC2-IC 濕度傳感器，測量溫度范圍為-100～200 ℃，相對濕度范圍為5% ～ 95% RH；芬蘭Vaisala 生產的HMP7 濕度傳感器，測量溫度范圍為-70～180 ℃，相對濕度范圍為0%～100% RH等。

美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology， NIST）在2010年開展了高露點濕度標準裝置研究，并建立了相關標準。NIST 研制的高露點濕度標準裝置可產生露點溫度范圍為85～200 ℃，壓力范圍為0.2～1.6 MPa 的標準濕氣。中國計量科學研究院研制了高溫濕度發(fā)生裝置，該裝置可產生露點溫度為80 ℃的標準濕氣。

目前我國濕度基準露點溫度上限為80 ℃［2］，缺乏針對高溫（特別是100 ℃以上）高壓條件下濕度參數的校準手段。為解決該問題，本文研制了一套高壓水分發(fā)生器，用于產生體積分數范圍為0.5%～15%（對應露點溫度范圍為-2.8～110 ℃），絕對壓力范圍為0.1～1 MPa 的標準濕氣，以滿足高溫高壓條件下濕度參數的溯源需求，為實現高溫高壓環(huán)境中濕度參數高準確度計量奠定基礎。

1 高壓水分發(fā)生器的原理及構成

1.1 系統(tǒng)原理

高壓水分發(fā)生器的工作原理如圖1所示。該水分發(fā)生器基于單溫單壓法原理，即通過改變濕度發(fā)生器內飽和器的溫度與壓力，最終得到所需壓力與溫度下的標準濕氣［3］。氣源可使用高純氮氣或空氣，氣源出氣需經過減壓閥，以減小氣源波動對高壓水分發(fā)生器的影響［4］。

圖1 高壓水分發(fā)生器原理圖Fig.1 Schematic diagram of high-pressure moisture generator

氣體進入發(fā)生器后，首先通過壓力控制器將進氣壓力調節(jié)至所需壓力值，發(fā)生器的內部氣體流量通過質量流量控制器進行控制。氣體經過控壓后進入特定溫度環(huán)境的飽和器內，在飽和器內產生設定溫度與壓力下的飽和濕氣，經過加熱管路后，最終輸出體積分數范圍為0.5% ～ 15%（對應露點溫度范圍為-2.8 ～ 110 ℃），絕對壓力范圍為0.1 ～ 1 MPa的標準濕氣。

已知體積分數w與飽和器壓力P，則飽和器內的飽和水蒸氣壓ew的計算公式為

計算對應的飽和器所需設定的露點溫度Td為

式中：Td為露點溫度（開氏溫度）；ci、di為計算系數，數值分別為c0= 207.982 33，c1=-20.156 028，c2= 0.467 789 25，c3=-9.228 806 7 × 10-6，d0= 1，d1=- 0.133 196 69，d2= 5.657 751 8 × 10-3，d3=-7.517 286 5 × 10-5。

換算得到攝氏露點溫度td，即

根據式（1）～式（3），通過用戶設定的壓力P與體積分數w，在壓力范圍0.1～1.0 MPa 的條件下，生成體積分數范圍0.5%～15%的標準濕氣，可對應計算出飽和器所需發(fā)生的露點溫度范圍為-2.8 ～110 ℃。

1.2 高壓水分發(fā)生器結構組成

高壓水分發(fā)生器由飽和系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)與控制系統(tǒng)組成。飽和器結構分為兩部分，分別為高露點段與低露點段，需根據飽和溫度的不同選擇不同露點溫度段的飽和器進行水汽飽和；氣路系統(tǒng)由調壓裝置、換熱管路、加熱管路、氣路切換裝置等組成，為氣體在發(fā)生器內提供不同壓力或溫度條件下的傳輸路徑；控制系統(tǒng)完成對壓力、進氣流量、飽和器溫度的調控，并負責實現飽和器氣路切換、加熱管路溫度監(jiān)測。高壓水分發(fā)生器系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 高壓水分發(fā)生器系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure diagram of high-pressure moisture generator system

各系統(tǒng)之間氣路采用1/4卡套接頭與1/4NPT接頭連接，通訊線路采用RS485連接。該發(fā)生器的各系統(tǒng)部件協同工作，最終可產生所需的高溫高壓下的標準濕氣。

2 高壓水分發(fā)生器的設計

2.1 飽和系統(tǒng)

飽和系統(tǒng)屬于兩相流接觸的場所［5］，氣體的傳熱傳質過程在飽和系統(tǒng)內完成，其設計原則是：確保氣體與水有充分的接觸時間且出氣不能夾帶水滴，同時還要減少氣體在飽和系統(tǒng)內的壓力損失［6］。

根據1.1 節(jié)計算出的飽和器的露點溫度范圍，為了提高飽和器的飽和效率，該發(fā)生器的飽和器設計為低露點與高露點兩個飽和器并聯的形式。低露點與高露點飽和器分別設計有進水口與排水口，同時高露點飽和器內設計有液位計，可提醒用戶及時加水。

在高露點段（td＞ 20 ℃），飽和器結構設計為鼓泡式飽和器。為了提高飽和器的飽和效率，飽和器設計為二級飽和，分為預飽和器與主飽和器。氣體先進入換熱盤管進行換熱，然后進入該飽和器進行水汽飽和；在低露點段（td≤ 20 ℃），飽和器結構設計為多層疊盤式，氣體先經過該飽和器增濕或除濕，再進入換熱盤管中進行換熱［7］。同時在低溫疊盤式飽和器的進氣口設計有聚甲醛絕熱蓋，防止氣源中水汽過多導致飽和器內發(fā)生冰堵現象。兩個飽和器進氣與出氣管路上均設計有電磁閥，可通過控制電磁閥的通斷選擇特定的飽和器進行水汽飽和。

為了防止氣體在高溫飽和器出氣氣路中發(fā)生水汽冷凝，飽和器出氣段設計有加熱管路，管路的加熱溫度根據飽和器當前發(fā)生的露點溫度進行設定，通常需要比飽和器當前露點溫度值高10 ℃左右［8］。

飽和器材質選取316型不銹鋼，內壁均采取化學電拋光處理，根據飽和器的壓力范圍，設計飽和器壁厚為3 mm。飽和器設計結構圖如圖3所示。

圖3 飽和器設計結構圖Fig.3 Structure diagram of saturator design

2.2 氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)包括調壓裝置、換熱管路、加熱管路、氣路切換管路等，為氣體在發(fā)生器內提供不同壓力或溫度條件下的路徑。調壓裝置由壓力控制器、高溫氣體流量控制器組成，用于控制飽和器內部壓力與管路內的氣體流量；加熱管路設計在高溫飽和器出氣段與測量室進氣段之間，防止高溫露點氣體在飽和器與測量室之間的管路中冷凝，在對應的管路中緊密纏繞加熱帶與保溫材料，加熱驅動元件選用單相功率調整器。

加熱管路的保溫材料需使用耐熱膠進行粘貼固定。比較了橡塑保溫棉、硅酸鋁保溫棉、聚氨酯發(fā)泡與酚醛樹脂發(fā)泡等材料［9］，綜合考慮保溫性能、安裝及拆卸的難易程度、環(huán)保性、價格等因素，最終選用橡塑保溫棉作為保溫材料。橡塑保溫棉多適用于-40 ～ 120 ℃下的設備保溫，導熱系數約為0.034 W·m-2·K-1［10］，具有隔熱、隔音、易加工、便于安裝操作等優(yōu)點。

氣體切換管路位于高溫與低溫飽和器的進氣口與出氣口，共包含4個電磁閥。通過設定的水分含量與絕對壓力計算飽和器設定的露點溫度，當td＞ 20 ℃時，高溫飽和器氣路的2 個電磁閥開啟，低溫飽和器氣路的2個電磁閥關閉，氣體通過高溫鼓泡飽和器進行水汽飽和；當td≤ 20 ℃時，低溫飽和器氣路的2 個電磁閥開啟，高溫飽和器氣路的2個電磁閥關閉，以此達到氣路切換的目的。氣路系統(tǒng)連接如圖4所示。

圖4 氣路系統(tǒng)連接圖Fig.4 Air circuit system connection diagram

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制電路、觸摸屏、壓力控制器、質量流量控制器等部分組成。控制電路的核心為微控制器，微控制器的外圍電路可細化分為通訊接口電路、數據采集電路、輸出驅動電路、供電電路等，數據采集電路可細分為開關量采集電路、測溫電路等?？刂齐娐吠瓿珊銣叵到y(tǒng)溫度、加熱管路溫度、飽和器進氣壓力、飽和器進氣流量等參數的采集、控制與信號輸出；觸摸屏完成對以上各參數的集中顯示與設置。

通過控制電路與相應元器件進行通訊連接，完成進氣流量、飽和溫度、加熱管路溫度、飽和器壓力控制的數據監(jiān)測與控制［11］?？刂葡到y(tǒng)連接圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)連接圖Fig.5 Control system connection diagram

為了便于導出試驗數據，觸控屏及軟件均設計有上位機通訊功能，可通過上位機輸入相應指令，對各參量值進行實時設定與讀取，便于用戶后續(xù)統(tǒng)一監(jiān)控以及進行數據分析與處理。觸控屏的人機交互界面包括主界面、參數監(jiān)控界面、參數修正界面，其中主界面如圖6所示。

圖6 觸控屏主界面Fig.6 Main interface of touch screen

3 性能試驗及不確定度分析

為了驗證該高壓水分發(fā)生器在體積分數范圍0.5% ～ 15%（對應露點溫度范圍-2.8 ～ 110 ℃），絕對壓力范圍0.1 ～ 1 MPa 下的技術指標，選用MBW 373LX 精密露點儀作為標準器，測量高壓水分發(fā)生器在常壓下的露點溫度td373。將精密露點儀測量的常壓露點溫度轉換為當前飽和器壓力下的露點溫度t'd373，再與高壓水分發(fā)生器顯示的露點溫度td進行比較［12］。

氣路連接方式為在高壓水分發(fā)生器出氣口接入減壓閥，將出氣壓力減至0.1 MPa（常壓下），再接入精密露點儀的進氣口。為了防止連接氣路中有水冷凝，高壓水分發(fā)生器與精密露點儀之間的管路為加熱管路，加熱管路的設定溫度應高于當前高壓水分發(fā)生器發(fā)生的露點溫度約10 ℃。試驗氣路連接圖如圖7所示。

圖7 試驗氣路連接圖Fig.7 Test gas circuit connection diagram

開啟高壓水分發(fā)生器，飽和器壓力P、體積分數w、進氣流量Q設定值如表1所示。

表1 高壓水分發(fā)生器設定值Tab.1 Set value of high-pressure moisture generator

將高壓水分發(fā)生器顯示的露點溫度td與精密露點儀在當前飽和器壓力下的露點溫度t'd373的值進行對比［13］，結果如圖8所示。

圖8 高壓水分發(fā)生器露點值與精密露點儀露點值對比圖Fig.8 Comparison of dew point values between high pressure moisture generator and precision dew point instrument

根據圖8可知，高壓水分發(fā)生器可實現體積分數范圍為0.5%～15%（對應露點溫度范圍為-2.8～110 ℃），絕對壓力范圍為0.1～1 MPa的標準濕氣。

根據式（2）可知，高壓水分發(fā)生器產生露點與飽和器內的飽和水蒸氣壓有關，飽和器內的飽和水蒸氣壓計算公式為

式中：Ts為混氣室內氣體的露點溫度（開氏溫度），gi為計算系數，數值分別為g0= - 2 836.574 4，g1= - 6 028.076 559，g2= 19.542 636 12，g3=- 0.027 378 301 886，g4= 1.626 169 8 × 10-5，g5=7.022 905 6 × 10-10，g6= - 1.868 000 9 × 10-13，g7= 2.715 030 5。

根據式（2）和式（4），保證Ts、P任意一個參數不變，微小地改變第二個參數值，計算靈敏系數。靈敏系數如表2所示。

表2 靈敏系數Tab.2 Sensitivity coefficient

高壓水分發(fā)生器露點溫度不確定度的主要分量包括飽和系統(tǒng)內溫度測量與控制引入的標準不確定度u1、飽和系統(tǒng)壓力測量與控制引入的不確定度u2、飽和系統(tǒng)飽和度引入的不確定度u3、飽和水蒸氣壓引入的不確定度u4［14］、水蒸氣濃度變化引入的不確定度u5［15］。各不確定度分量大小如表3所示。

表3 標準不確定度分量Tab.3 Standard uncertainty component

露點溫度的合成標準不確定度的計算公式為

取包含因子k= 2，高壓水分發(fā)生器露點溫度的擴展不確定度為

計算得到U= 0.50～0.52 ℃（k= 2）。

4 結論

基于單溫單壓原理，自主研制了一套高壓水分發(fā)生器，其可產生體積分數范圍為0.5%～15%（對應露點溫度范圍為-2.8～110 ℃），絕對壓力范圍為0.1～1 MPa 的標準濕氣，能夠有效滿足高溫高壓環(huán)境下濕度量值的溯源需求。該高壓水分發(fā)生器結構緊湊、操作便捷、準確性好，具有很好的經濟效益，為推動我國高溫高壓條件下濕度計量技術發(fā)展提供了有力支撐，同時為濕度計量領域國產化儀器研制提供了重要借鑒。